The emergence of SARS-CoV-2 has resulted in a worldwide pandemic causing significant damage to public health and the economy. Efforts to understand the mechanisms of COVID-19 disease have been hampered by the lack of robust mouse models. To overcome this barrier, we utilized a reverse genetic system to generate a mouse-adapted strain of SARS-CoV-2. Incorporating key mutations found in SARSCoV-2 variants, this model recapitulates critical elements of human infection including viral replication in the lung, immune cell infiltration, and significant in vivo disease. Importantly, mouse-adaptation of SARS-CoV-2 does not impair replication in human airway cells and maintains antigenicity similar to human SARS-CoV-2 strains. Utilizing this model, we demonstrate that SARS-CoV-2 infected mice are protected from lethal challenge with the original SARS-CoV, suggesting immunity from heterologous CoV strains. Together, the results highlight the utility of this mouse model for further study of SARS-CoV-2 infection and disease.

While SARS-CoV-2 continues to adapt for human infection and transmission, genetic variation outside of the spike gene remains largely unexplored. This study investigates a highly variable region at residues 203-205 in the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein. Recreating a mutation found in the alpha and omicron variants in an early pandemic (WA-1) background, we find that the R203K+G204R mutation is sufficient to enhance replication, fitness, and pathogenesis of SARS-CoV-2. The R203K+G204R mutant corresponds with increased viral RNA and protein both in vitro and in vivo . Importantly, the R203K+G204R mutation increases nucleocapsid phosphorylation and confers resistance to inhibition of the GSK-3 kinase, providing a molecular basis for increased virus replication. Notably, analogous alanine substitutions at positions 203+204 also increase SARS-CoV-2 replication and augment phosphorylation, suggesting that infection is enhanced through ablation of the ancestral 'RG' motif. Overall, these results demonstrate that variant mutations outside spike are key components in SARS-CoV-2's continued adaptation to human infection.Since its emergence, SARS-CoV-2 has continued to adapt for human infection resulting in the emergence of variants with unique genetic profiles. Most studies of genetic variation have focused on spike, the target of currently available vaccines, leaving the importance of variation elsewhere understudied. Here, we characterize a highly variable motif at residues 203-205 in nucleocapsid. Recreating the prominent nucleocapsid R203K+G204R mutation in an early pandemic background, we show that this mutation is alone sufficient to enhance SARS-CoV-2 replication and pathogenesis. We also link augmentation of SARS-CoV-2 infection by the R203K+G204R mutation to its modulation of nucleocapsid phosphorylation. Finally, we characterize an analogous alanine double substitution at positions 203-204. This mutant was found to mimic R203K+G204R, suggesting augmentation of infection occurs by disrupting the ancestral sequence. Together, our findings illustrate that mutations outside of spike are key components of SARS-CoV-2's adaptation to human infection.

High-throughput genomics of SARS-CoV-2 is essential to characterize virus evolution and to identify adaptations that affect pathogenicity or transmission. While single-nucleotide variations (SNVs) are commonly considered as driving virus adaption, RNA recombination events that delete or insert nucleic acid sequences are also critical. Whole genome targeting sequencing of SARS-CoV-2 is typically achieved using pairs of primers to generate cDNA amplicons suitable for Next-Generation Sequencing (NGS). However, paired-primer approaches impose constraints on where primers can be designed, how many amplicons are synthesized and requires multiple PCR reactions with non-overlapping primer pools. This imparts sensitivity to underlying SNVs and fails to resolve RNA recombination junctions that are not flanked by primer pairs. To address these limitations, we have designed an approach called 'Tiled-ClickSeq', which uses hundreds of tiled-primers spaced evenly along the virus genome in a single reverse-transcription reaction. The other end of the cDNA amplicon is generated by azido-nucleotides that stochastically terminate cDNA synthesis, removing the need for a paired-primer. A sequencing adaptor containing a Unique Molecular Identifier (UMI) is appended to the cDNA fragment using click-chemistry and a PCR reaction generates a final NGS library. Tiled-ClickSeq provides complete genome coverage, including the 5'UTR, at high depth and specificity to the virus on both Illumina and Nanopore NGS platforms. Here, we analyze multiple SARS-CoV-2 isolates and clinical samples to simultaneously characterize minority variants, sub-genomic mRNAs (sgmRNAs), structural variants (SVs) and D-RNAs. Tiled-ClickSeq therefore provides a convenient and robust platform for SARS-CoV-2 genomics that captures the full range of RNA species in a single, simple assay.

Abstract The furin cleavage site (FCS), an unusual feature in the SARS-CoV-2 spike protein, has been spotlighted as a factor key to facilitating infection and pathogenesis by increasing spike processing 1,2 . Similarly, the QTQTN motif directly upstream of the FCS is also an unusual feature for group 2B coronaviruses (CoVs). The QTQTN deletion has consistently been observed in in vitro cultured virus stocks and some clinical isolates 3 . To determine whether the QTQTN motif is critical to SARS-CoV-2 replication and pathogenesis, we generated a mutant deleting the QTQTN motif (ΔQTQTN). Here we report that the QTQTN deletion attenuates viral replication in respiratory cells in vitro and attenuates disease in vivo . The deletion results in a shortened, more rigid peptide loop that contains the FCS, and is less accessible to host proteases, such as TMPRSS2. Thus, the deletion reduced the efficiency of spike processing and attenuates SARS-CoV-2 infection. Importantly, the QTQTN motif also contains residues that are glycosylated 4 , and disruption its glycosylation also attenuates virus replication in a TMPRSS2-dependent manner. Together, our results reveal that three aspects of the S1/S2 cleavage site – the FCS, loop length, and glycosylation – are required for efficient SARS-CoV-2 replication and pathogenesis.

Abstract Adaptation of viruses to their environments occurs through the acquisition of both novel Single-Nucleotide Variants (SNV) and recombination events including insertions, deletions, and duplications. The co-occurrence of SNVs in individual viral genomes during their evolution has been well-described. However, unlike covariation of SNVs, studying the correlation between recombination events with each other or with SNVs has been hampered by their inherent genetic complexity and a lack of bioinformatic tools. Here, we expanded our previously reported CoVaMa pipeline (v0.1) to measure linkage disequilibrium between recombination events and SNVs within both short-read and long-read sequencing datasets. We demonstrate this approach using long-read nanopore sequencing data acquired from Flock House virus (FHV) serially passaged in vitro . We found SNVs that were either correlated or anti-correlated with large genomic deletions generated by nonhomologous recombination that give rise to Defective-RNAs. We also analyzed NGS data from longitudinal HIV samples derived from a patient undergoing antiretroviral therapy who proceeded to virological failure. We found correlations between insertions in the p6 Gag and mutations in Gag cleavage sites. This report confirms previous findings and provides insights on novel associations between SNVs and specific recombination events within the viral genome and their role in viral evolution.

Abstract Understanding the molecular basis of innate immune evasion by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an important consideration for designing the next wave of therapeutics. Here, we investigate the role of the nonstructural protein 16 (NSP16) of SARS-CoV-2 in infection and pathogenesis. NSP16, a ribonucleoside 2’- O methyltransferase (MTase), catalyzes the transfer of a methyl group to mRNA as part of the capping process. Based on observations with other CoVs, we hypothesized that NSP16 2’- O MTase function protects SARS-CoV-2 from cap-sensing host restriction. Therefore, we engineered SARS-CoV-2 with a mutation that disrupts a conserved residue in the active site of NSP16. We subsequently show that this mutant is attenuated both in vitro and in vivo , using a hamster model of SARS-CoV-2 infection. Mechanistically, we confirm that the NSP16 mutant is more sensitive to type I interferon (IFN-I) in vitro . Furthermore, silencing IFIT1 or IFIT3, IFN-stimulated genes that sense a lack of 2’- O methylation, partially restores fitness to the NSP16 mutant. Finally, we demonstrate that sinefungin, a methyltransferase inhibitor that binds the catalytic site of NSP16, sensitizes wild-type SARS-CoV-2 to IFN-I treatment. Overall, our findings highlight the importance of SARS-CoV-2 NSP16 in evading host innate immunity and suggest a possible target for future antiviral therapies. Importance Similar to other coronaviruses, disruption of SARS-CoV-2 NSP16 function attenuates viral replication in a type I interferon-dependent manner. In vivo , our results show reduced disease and viral replication at late times in the hamster lung, but an earlier titer deficit for the NSP16 mutant (dNSP16) in the upper airway. In addition, our results confirm a role for IFIT1, but also demonstrate the necessity of IFIT3 in mediating dNSP16 attenuation. Finally, we show that targeting NSP16 activity with a 2’- O methyltransferase inhibitor in combination with type I interferon offers a novel avenue for antiviral development.

SUMMARY RBFOX2, which has a well-established role in alternative splicing, is linked to heart diseases. However, it is unclear whether RBFOX2 has other roles in RNA processing that can influence gene expression/function in muscle cells, contributing to disease pathology. Here, we employed both 3’-end and nanopore cDNA sequencing to reveal a previously unrecognized role for RBFOX2 in maintaining alternative polyadenylation (APA) signatures in myoblasts. We found that RBFOX2-mediated APA modulates both mRNA levels and isoform expression of a collection of genes including contractile and mitochondrial genes. We identified the key muscle-specific contractile gene, Tropomyosin 1 and essential mitochondrial gene, Slc25a4 as APA targets of RBFOX2. Unexpectedly, depletion of RBFOX2 adversely affected mitochondrial health in myoblasts that is in part mediated by disrupted APA of mitochondrial gene Slc25a4 . Mechanistically, we found that RBFOX2 regulation of Slc25a4 APA is mediated through consensus RBFOX2 binding motifs near the distal polyadenylation site enforcing the use of the proximal polyadenylation site. In sum, our results unveiled a new role for RBFOX2 in fine tuning expression levels of mitochondrial and contractile genes via APA in myoblasts relevant to heart diseases.

ABSTRACT Alternative splicing (AS) contributes to the diversity of the proteome by producing multiple isoforms from a single gene. Although short-read RNA sequencing methods have been the gold standard for determining AS patterns of genes, they have a difficulty in defining full length mRNA isoforms assembled using different exon combinations. Tropomyosin 1 (TPM1) is an actin binding protein required for cytoskeletal functions in non-muscle cells and for contraction in muscle cells. Tpm1 undergoes AS regulation to generate muscle versus non-muscle TPM1 protein isoforms with distinct physiological functions. It is unclear which full length Tpm1 isoforms are produced via AS and how they are regulated during heart development. To address these, we utilized nanopore long-read cDNA sequencing without gene-specific PCR amplification. In rat hearts, we identified full length Tpm1 isoforms composed of distinct exons with specific exon linkages. We showed that Tpm1 undergoes AS transitions during embryonic heart development such that muscle-specific exons are connected together generating predominantly muscle specific Tpm1 isoforms in adult hearts. We found that the RNA binding protein RBFOX2 controls AS of rat Tpm1 exon 6a, which is important for cooperative actin binding. Furthermore, RBFOX2 regulates Tpm1 AS of exon 6a antagonistically to the RNA binding protein PTBP1. In sum, we defined full length Tpm1 isoforms with different exon combinations that are tightly regulated during cardiac development and provided insights into regulation of Tpm1 AS by RNA binding proteins. Our results demonstrate that nanopore sequencing is an excellent tool to determine fulllength AS variants of muscle enriched genes.

Abstract Tau protein is a known contributor in several neurodegenerative diseases, including Alzheimer ‘s disease (AD) and frontotemporal dementia (FTD). It is well-established that tau forms pathological aggregates and fibrils in these diseases. Tau has been observed within the nuclei of neurons, but there is a gap in understanding regarding the mechanism by which tau modulates transcription. We are interested in the P301L mutation of tau, which has been associated with FTD and increased tau aggregation. Our study utilized tau-inducible HEK (iHEK) cells to reveal that WT and P301L tau distinctively alter the transcription and alternative polyadenylation (APA) profiles of numerous nuclear precursors mRNAs, which then translate to form proteins involved in chromatin remodeling and splicing. We isolated total mRNA before and after over-expressing tau and then performed Poly(A)-ClickSeq (PAC-Seq) to characterize mRNA expression and APA profiles. We characterized changes in Gene Ontology (GO) pathways using EnrichR and Gene Set Enrichment Analysis (GSEA). We observed that P301L tau up-regulates genes associated with reactive oxygen species responsiveness as well as genes involved in dendrite, microtubule, and nuclear body/speckle formation. The number of genes regulated by WT tau is greater than the mutant form, which indicates that the P301L mutation causes loss-of-function at the transcriptional level. WT tau up-regulates genes contributing to cytoskeleton-dependent intracellular transport, microglial activation, microtubule and nuclear chromatin organization, formation of nuclear bodies and speckles. Interestingly, both WT and P301L tau commonly down-regulate genes responsible for ubiquitin-proteosome system. In addition, WT tau significantly down-regulates several genes implicated in chromatin remodeling and nucleosome organization. Although there are limitations inherent to the model systems used, this study will improve understanding regarding the nuclear impact of tau at the transcriptional and post-transcriptional level. This study also illustrates the potential impact of P301L tau on the human brain genome during early phases of pathogenesis. Author summary While tau biology has been extensively studied and closely linked to several neurodegenerative diseases, our current understanding of tau’s functions in the nucleus is limited. Given the role of tau in disease progression and pathogenesis, elucidating the function of tau activity in transcription and its nuclear accumulation may reveal novel therapeutic targets; therefore, helping identify new upstream pathways that have yet to be investigated. In this study, we used tau-inducible cell lines to uncover new molecular mechanisms by which tau functions in the nucleus. This study systematically investigates the changes in transcriptomic and alternative polyadenylation profiles modulated by WT and mutant P301L tau protein. In this manuscript, we report following new findings ( i ) tau modulates gene expression of transcripts associated with chromatin remodeling and splicing complexes; ( ii ) WT and mutant P301L tau regulate, differentially, transcription and alternative polyadenylation (APA) profiles; and ( iii ) P301L mutation affects the transcription mediated by tau protein. The potential role of tau in mediating transcription and alternative polyadenylation processes is not well studied, representing a novelty in the field. Therefore, this research establishes a new direction for investigating tau nuclear function in both human and mouse brains.

Poly(A)-tail targeted RNAseq approaches, such as 3'READS, PAS-seq and Poly(A)-ClickSeq, are becoming popular alternatives to random-primed RNAseq for simplified gene expression analyses as well as to measure changes in poly(A) site usage. We and others have recently demonstrated that these approaches perform similarly to other RNAseq strategies, while saving on the volume of sequencing data required and providing a simpler library synthesis strategy. Here, we present DPAC; a streamlined pipeline for the preprocessing of poly(A)-tail targeted RNAseq data, mapping of poly(A)-sites and poly(A) clustering, and determination of differential poly(A) site usage using DESeq2. Changes in poly(A) site usage is simultaneously used to report differential gene expression, differential terminal exon usage and alternative polyadenylation (APA).